İçme suyunun kalsiyum karbonat ile arıtılması için sadece termodinamik düşünülemez, kinetik faktörler de çok önemlidir.
Suda kalsiyum karbonat (CaCO3) oluşumu, gıda ve enerji üretiminden insan sağlığına ve içme suyu teminine kadar her şeyi etkiler. Ancak günümüz ortamında, saf suda kalsiyum karbonatın nasıl oluştuğunu incelemek yararlı değildir. Washington Üniversitesi St. Louis McKay Mühendislik Okulu'ndaki araştırmacılar, tuzlu suda kalsiyum karbonat oluşumunu incelemek için son teknoloji bir yönteme öncülük ettiler. Araştırma sonuçları "Physical Chemistry C" de yayınlandı. Kinetik faktörler dikkate alınmazsa, tuzlu su ortamında kalsiyum karbonatın oluşma hızını fazla tahmin etmiş olabiliriz.
Enerji, Çevre ve Kimya Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Young-Shin Jun şunları söyledi: Minerallerin yüksek tuz koşullarında nasıl oluştuğunu anlamak her zamankinden daha önemli. Kentsel alanların genişlemesiyle birlikte, akıntı nedeniyle okyanuslarda daha fazla tatlı su kaybolmaktadır. Tuzdan arındırma ve hidrolik kırılma gibi endüstriyel ve enerji hasadı işlemlerinde, tuzlu su üretimi de artmaktadır. Araştırma ekibi felsefi bir soruyla başladı: Kalsiyum iyonlarını ve karbonat iyonlarını birleştirme sürecinde, kalsiyum karbonat gerçekte ne zaman "oluştu"?
İnsanlar bir katının 'büyümesinden' söz ettiklerinde, genellikle yanlışlıkla 'oluşum' derler, ancak aslında oluşum çekirdekleşme aşamasında daha erken başlar. Çekirdeklenme, tüm öncül parçaların yerinde olduğu anda ve kritik kütleye ulaşıldığında, katı kalsiyum karbonat üretilirken büyümeye devam edecek kadar büyük ve yeterince kararlı bir çekirdek başlar.
(Daire kartı buraya eklendi, lütfen görüntülemek için Toutiao istemcisine gidin)Nanometre ölçeğinde meydana geldiği için nükleer oluşumun gözlemlenmesinin zor olduğuna şüphe yoktur. Bu nedenle, bu sürecin genellikle gerçekleştiği varsayılır. Geleneksel olarak araştırmacılar, ayrı bir fenomen olarak çekirdeklenmeye odaklanmak yerine büyümeyi anlamaya odaklanmışlardır.
Kuzey Illinoisdeki Argonne Ulusal Laboratuvarındaki Gelişmiş Foton Kaynağında çalışan Junun laboratuvarı, benzersiz bir çevresel yanıt oluşturmak için otlatma insidansı küçük açılı x-ışını saçılması (GISAXS) adı verilen güçlü bir eşzamanlı x-ışını saçılım yöntemi kullanıyor Hücreler ve çekirdeklenme olaylarını su ortamında gerçek zamanlı olarak gözlemleyin. Çekirdeklenme anı görülebilir, bu da sudaki çekirdeklenme oranını farklı tuzluluklarla dikkatlice karşılaştırmalarına olanak tanır. Sudaki tuz konsantrasyonu büyük ölçüde değişir, litre başına deniz suyunun tuz içeriği yaklaşık 35 gramdır ve hidrolik çatlatma için kullanılan suyun tuz içeriği daha da yüksektir. Bununla birlikte, tuz dikkate alınmadan, çoğu çalışma, minerallerin büyüme substratları ile nasıl etkileşime girdiğini araştırmıştır.
Örneğin su boruları veya zarları nelerden yapılır ve bu madde kalsiyum karbonat oluşumunu nasıl etkiler? Ancak bunlar tek önemli roller değildir. Bu matrise tuz eklemeniz gerekiyor, tuzlu su kimyası çekirdeklenmeyi nasıl etkiler? Bir boşlukta olmayacak. Çekirdeklenme olasılığını belirleyen önemli bir ilişki, belirli bir sistemin termodinamiği ve kinetiği arasındaki dengedir. Termodinamik olarak çekirdeklenmeyi sürmek için belirli bir miktar enerji gerekir, eğer bu enerji (arayüz enerjisi olarak adlandırılır) yeterince düşükse, çekirdekler kendiliğinden oluşacaktır. Kinetik, alt ve nano boyutlu yapı bloklarının (öncüler) hareketini ifade eder.
Kritik kütleye (kritik çekirdek boyutu denir) ulaşabilir veya ulaşmayabilir ve kalsiyum karbonat şeklinde büyümeye devam edebilirler. Çekirdekleşmenin kendisinde olduğu gibi, bu parçacıkların dinamiklerini gözlemlemek zordur. Tarihsel olarak, kinetik faktörlerin termodinamik parametrelerden daha az önemli olduğu kabul edilmiş ve sabit oldukları varsayılmıştır. Ancak bu yüksek tuzlu su için bile doğru mu? İnsanlar dinamiklerin önemli olmadığını düşünüyor, zaten aynı olması gerekiyor. Ancak Stanford Üniversitesi'nde eski bir doktora öğrencisi olan GISAXS, Jun ve Qingyun Li'yi kullanarak, substrat olarak kuvars kullanarak karbonat çekirdeklenmesinin kinetik faktörü (J0) ve termodinamik parametreleri (arayüz enerjisi, ) arasındaki ilişkiyi nicel olarak tanımlayabildiler.
Farklı tuzluluk oranlarına sahip sularda test yapabilmek çok önemlidir. Sonuçlar, yüksek tuzluluk oranına sahip suda arayüz enerjisinin saf sudan daha düşük olduğunu göstermektedir, bu da çekirdeklenmenin meydana gelme olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir. Bununla birlikte, dinamik faktör (yapı taşlarının değişim oranıyla ilgili) yavaştır. Sistemi tahmin ederken sadece termodinamik dikkate alınırsa, çekirdeklenme hızı fazla tahmin edilecek ve dinamik faktörlerin etkisi dahil edilmelidir. Bu etki, birçok nedenden ötürü çok önemlidir, sadece mineral oluşumunun daha iyi anlaşılması için değil. Benzeri görülmemiş sosyo-ekonomik gelişme, insanların tatlı su talebini hızlandırmıştır. Buna ek olarak, büyük miktarda süper tuzlu su, tuzdan arındırma tesisleri gibi su ve enerji geri kazanım istasyonlarından ve hidrolik kırma kullanarak geleneksel / geleneksel olmayan petrol ve gaz geri kazanımından gelmektedir.
Bu nedenle, sürdürülebilir bir su ve enerji üretim sistemi tasarlamak için, yüksek tuzlu suyun kalsiyum karbonat çekirdeklenmesini nasıl etkilediğini ve böylece işleme verimliliğini nasıl düşürdüğünü anlamak acildir. Bu heyecan verici bir keşif.Dinamikleri ve termodinamiği değiştirerek, çekirdeklenmeyi önlemek için bir yüzey tasarlanabilir. Çekirdekleşmenin zamanını ve yerini anlayarak çekirdeklenme önlenebilir veya azaltılabilir ve boru hatlarının veya su arıtma membranlarının ömrü uzatılabilir. Tersine, jeolojik karbondioksit depolaması gibi ihtiyaç duyulan yerlerde çekirdeklenme de artırılabilir.Bu temel anlayış bize güç ve kontrol sağlar.
